材料研究方法 论文.docVIP

燕山大学材料研究方法结课论文学 院：环境与化学工程学院专 业：化学工程与技术 学生 姓名： 学 号： 日 期：2015年12月 摘要摘要材料的现代分析方法是关于材料的成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及相关的理论基础的科学。成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定了材料的性能。材料现代分析、测试技术的发展，使得材料分析不仅包括材料 (整体) 成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析，形貌分析等诸多内容。材料分析的理论依据基本上是利用入射电磁波或物质波 (X射线、电子束、可见光、红外光) 与材料作用，产生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波，探索这些出射的信号，进行分析处理，即可获得材料的组织、结构、成分、价键信息。微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要，其相貌的观察与分析主要采用扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 。本文着重介绍光学显微镜、X射线衍射分析、TEM、SEM、能谱 (EDS) 、俄歇电子分析 (AES) 和背散射的分析手段的原理与应用。关键词 光学显微镜，XRD，SEM，TEM，EDS、AES、背散射目录摘要I第1章光学 (金相) 显微镜11.1光学显微镜原理11.1.1光学显微镜案例21.2金相显微镜原理21.2.1金相显微镜案例23第2章X射线衍射仪52.1 X射线衍射仪原理52.2 X射线衍射仪案例6第3章扫描电子显微镜 (SEM)73.1扫描电子显微镜 (SEM) 原理与结构73.1.1真空系统83.1.2电子光学系统83.1.3信号检测放大系统93.2扫描电子显微镜 (SEM) 案例10第4章透射电子显微镜 (TEM)114.1透射电子显微镜 (TEM) 原理114.2透射电子显微镜 (TEM) 案例12第5章能谱仪 (EDS)135.1能谱仪 (EDS) 原理135.2能谱仪 (EDS)案例13第6章俄歇电子能谱显微分析 (AES)156.1俄歇电子产生俄歇电子谱原理156.2俄歇电子谱案例16第7章电子背散射衍射分析 (EBSD)187.1电子背散射衍射分析原理187.2电子背散射衍射分析案例19参考文献21I第1章 光学 (金相) 显微镜 第1章 光学 (金相) 显微镜显微镜是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率为仪器的放大率。显微镜观察物体时通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替。显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图所示。物体AB经物镜成放大倒立的实像A1B1，A1B1位于目镜的物方焦距的内侧，经目镜后成放大的虚像A2B2于明视距离处。图1.1透镜成像原理图1.1 光学显微镜原理光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台用于盛放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构，使载物台作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成像。它的上层可以在水平面内沿作精密移动和转动，一般都把被观察的部位调放到视场中心。图1.2 光学显微镜1.1.1光学显微镜案例图1.3 HE染色(X400倍)(a)对照组细胞(b)实验组细胞HE染色法是病理学技术中简单、可靠的常规染色方法。本实验1通过HE染色并应用光学显微镜，观察到了凋亡典型的细胞形态学变化：对照组细胞贴壁延展，呈多角形，分裂旺盛，细胞间连接紧密，一般有2-4个核仁，核分裂像多见图1.3(a)；实验组细胞连接变松，细胞核深染，细胞数变少，部分细胞变圆，可见染色质边集，细胞膜下呈深蓝的新月体形，也可见典型凋亡小体图1.3(b) 1。1.2 金相显微镜原理利用金相显微镜来研究金属和合金组织的方法叫光学显微分析法。 它可以解决金属组织方面的很多问题，如非金属夹杂物，金属与合金的组织，晶粒的大小和形状，偏析、裂纹以及热处理工艺是否合理等。金相样品是用来在显微镜下进行分析、研究的试样，金相样品的制备过程包括取样、磨光、抛光、腐蚀等步骤1.2.1 金相显微镜案例2定量金相分析是利用体视学原理，通过测量二维金相试样磨面或薄膜上的显微组织，计算和确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。它对材料的研究、生产和使用都具有极大的理论意义和实践意义。图1.4（a）铸态 ZK60，明场（b）铸态 ZK60，正交偏光用电解液进行电解抛光时，会在样品表面形成一层黏糊层，抛光过后要用急水流冲洗才能冲洗干净，可能对试样磨面的质量有一定的影响。由于受实验设备和样品尺寸的影响，在 10V15V、不同阴阳极距离的条件下（受烧杯尺寸限制，范围从 8cm1cm），抛光时间从 30s 至 3min，得到的磨面虽然可以去掉划痕，但是使 AZ 系试样表面泛白、在显微镜下可以看到蚀坑，而 ZK60 则变紫色，腐蚀严重。当电压为 10V，抛光时间为 30s 时，各试样的抛光效果如图1.4。图1.5单相和两相组织的显示图纯金属及单相合金浸蚀时， 由于晶界原子排列较乱， 缺陷及杂质较多， 具有较高的能量，故晶界易被浸蚀而呈凹沟。在显微镜下观察时，光线在晶界处产生漫反射而不能进入物镜，因此显示出一条条黑色的晶界，如图 1.3(a)所示。对于两相合金，由于电极电位不同，负电位的一相被腐蚀形成凹沟，当光线照射到凹凸不平的试样表面时，就能看到不同的组成相，如图 1.3(b)所示。应当指出，金属中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各晶粒的浸蚀程度不一致，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现明暗不一的颜色。-21- 第2章 X射线衍射仪 第2章 X射线衍射仪特征X射线及其衍射X射线是一种波长 (0.06-20nm) 很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相机乳胶感光、气体电离。用高能电子束轰击金属靶产生X射线，它具有靶中元素相对应的特定波长，称为特征X射线。如铜靶对应的X射线波长为0.154056 nm。2.1 X射线衍射仪原理X射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。以上是1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出的一个重要科学预见，随即被实验所证实。1913年，英国物理学家布拉格父子 (W.H.Bragg，W.L.Bragg) 在劳厄发现的基础上，不仅成功的测定了NaCl，KCl等晶体结构，还提出了作为晶体衍射基础的著名公式布拉格方程：2dsin=n。图2.1 X射线衍射仪简图对于晶体材料，当待测晶体与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射的晶面就会被检测出来，体现在XRD图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰。对于非晶体材料，由于其结构不存在晶体结构中原子排列的长程有序，只是在几个原子范围内存在着短程有序，故非晶体材料的XRD图谱为一些漫散射馒头峰。X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。2.2 X射线衍射仪案例由图2.2可知3，LiBH4-2LiNH2样品的XRD图谱中，能明显观察到Li4BN3H10的衍射峰，同时有少量Li2BNH6 。添加了 CoO的样品，Li2BNH6的衍射峰就消失了，仅剩下Li4BN3H10的衍射峰，说明CoO的添加有利于Li4BN3H10的生成。随着CoO含量的增加，Li4BN3H10的衍射峰强度逐渐减弱，这是由于其含量逐渐减少的缘故。当CoO的含量增至大于0.01时，XRD图谱上清晰的发现位于36.4、42.3和61.4的衍射峰，这是属于CoO的衍射峰。球磨后的添加CoO的样品，由Li4BN3H10和CoO两相组成。图 2.2 球磨后 LiBH4-2LiNH2-xCoO 样品的 XRD图 第3章 扫描电子显微镜 (SEM) 第3章 扫描电子显微镜 (SEM)扫描电子显微镜 (SEM) 是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。图3.1扫描电子显微镜 (SEM)3.1扫描电子显微镜 (SEM) 原理与结构扫描电子显微镜 (SEM) 的制造依据是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。扫描电子显微镜具有由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10mm的电子束，并在试样表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧像。这种扫描方式叫做光栅扫描。图3.2扫描电子显微镜的原理和结构示意图扫描电子显微镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。3.1.1真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：(a) 电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。(b) 为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。3.1.2电子光学系统电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧 (LaB6) 或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪对真空度的要求很高。电磁透镜：其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑缩小成一个只有数纳米的细小束斑。其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。 扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。扫描线圈：其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈试扫描点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。样品室：样品室中主要部件是样品台。它出能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围至少在50度左右，转动360度。 样品室中还要安置各种型号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。样品台还可以带有多种附件，例如样品在样品台上加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。近年来，为适应断口实物等大零件的需要，还开发了可放置尺寸在125mm以上的大样品台。3.1.3信号检测放大系统其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。 在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。当信号电子进入闪烁体时将引起电离；当离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大并转变成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。这种检测系统的特点是在很宽的信号范围内具有正比与原始信号的输出，具有很宽的频带(10Hz-1MHz) 和高的增益 (105-106) ，而且噪音很小。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，而由检测器接收的信号强度随样品表面状况不同而变化，那么由信号监测系统输出的反营养品表面状态的调制信号在图像显示和记录系统中就转换成一幅与样品表面特征一致的放大的扫描像。图3.3 信号检测系统放大器3.2扫描电子显微镜 (SEM) 案例为了对 LiBH4-2LiNH2、LiBH4-2LiNH2-0.05Co 和LiBH4-2LiNH2-0.05/3Co3O4样品放氢后的产物进行形貌分析4，本文取上述三种样品放氢后的产物进行了SEM 测试，结果如图 3.4所示。放氢后的 LiBH4-2LiNH2 和 LiBH4-2LiNH2-0.05Co样品均为固体颗粒形貌，而放氢后的LiBH4-2LiNH2-0.05/3Co3O4样品呈现一种疏松的孔状形貌，这种形貌有利于氢的运输和扩散，这就是添加0.05/3CO3O4样品的储氢可逆性得到改善的一个重要原因。图 3.4 LiBH4-2LiNH2 (a) 、LiBH4-2LiNH2-0.05Co (b)和 LiBH4-2LiNH2-0.05/3Co3O4 (c)放氢后的样品的SEM 第4章 透射电子显微镜 (TEM) 第4章 透射电子显微镜 (TEM)透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，简称TEM)，可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。图4.1 透射电子显微镜 (TEM)4.1透射电子显微镜 (TEM) 原理透射电镜的总体工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。由于电子束射入样品时会发生布拉格散射，样品的衍射对比度信息会由电子束携带出来。例如晶体样品会将电子束散射至后焦平面上离散的点上。通过将光圈放置在后焦平面上，可以选择合适的反射电子束以观察到需要的布拉格散射的图像。通常仅有非常少的样品造成的电子衍射会投影在成像设备上。如果选择的反射电子束不包括位于透镜焦点的未散射电子束，那么在图像上没有样品散射电子束的位置上，也就是没有样品的区域将会是暗的。这样的图像被称为暗场图像。这种成像方式可以用来研究晶体的晶格缺陷。通过认真的选择样品的方向，不仅能够确定晶体缺陷的位置，也能确定缺陷的类型。如果样品某一特定的晶平面仅比最强的衍射角小一点点，任何晶平面缺陷将会产生非常强的对比度变化。然而原子的位错缺陷不会改变布拉格散射角，因此也就不会产生很强的对比度。通过调整磁透镜使得成像的光圈处于透镜的后焦平面处而不是像平面上，就会产生衍射图样。对于单晶体样品，衍射图样表现为一组排列规则的点，对于多晶或无定形固体将会产生一组圆环。对于单晶体，衍射图样与电子束照射在样品的方向以及样品的原子结构有关。通常仅仅根据衍射图样上的点的位置与观测图像的对称性就可以分析出晶体样品的空间群信息以及样品晶体方向与电子束通路的方向的相对关系。衍射图样的动态范围通常非常大。对于晶体样品，这个动态范围通常超出了CCD所能记录的最大范围。因此TEM通常装备有胶卷暗盒以记录这些图像。衍射平面还有更加复杂的表现，例如晶体格点的多次衍射造成的菊池线5。在会聚电子束衍射技术中，会聚电子束在样品表面形成一个极细的探针，从而产生了不平行的会聚波前，而汇聚电子束与样品的作用可以提供样品结构以外的信息，例如样品的厚度等等。(b)(a)图4.2 (a) 钢铁中原子尺度上晶格错位的TEM图 (b) 面心立方奥氏体不锈钢孪晶结晶图4.2透射电子显微镜 (TEM) 案例图4.3为TEM观察的结果6，从形貌像可以看到，合金中存在大量的明暗衬度相间的马氏体孪晶组织 (图a) 。对图 (a) 中单一衬度区域 (A区) 做SAED分析，得到图b所示的沿 110 带轴入射的电子衍射图谱；而对图a中明暗条共存的区域 (B区) 作选区电子衍射分析，得到图c沿 110 带轴入射孪晶电子衍射图谱，其孪晶面为 (222) 。图4.3 Ni53.4Mn20.0Ga25.6Gd1.0合金的形貌像与电子衍射谱。(a)具有孪晶取向关系的无调制马氏体组织 (Bar=400 nm)(b) 图a中A区域对应的SAED谱 (c) 图a中B区域对应的SAED孪晶谱第5章 能谱仪 (EDS) 第5章 能谱仪 (EDS)能谱仪 (EDS，Energy Dispersive Spectrometer) 是用来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。5.1能谱仪 (EDS) 原理当X射线光子进入检测器后，在Si (Li) 晶体内激发出一定数目的电子空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量是一定的 (在低温下平均为3.8ev) ，而由一个X射线光子造成的空穴对的数目为N=E/，因此，入射X射线光子的能量越高，N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经过前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小。电流脉冲经过主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器，脉冲高度分析器按高度把脉冲分类进行计数，这样就可以描出一张X射线按能量大小分布的图谱。5.2能谱仪 (EDS)案例在晶界与晶内可以观察到尺度达到微米级的多边形析出物7，选取没有基体干扰的边部进行EDS能谱分析析出相成分为 (at.%)：24.42 Ni，11.67 Mn，10.82 Ga，53.08 Gd，基体成分为(at.%)：54.92 Ni，18.82 Mn，25.88 Ga和0.38 Gd。由此可见在Ni-Mn-Ga合金中，部分稀土元素Gd在晶内与晶界处富集形成析出物，部分溶入基体。稀土元素的富集析出与固溶，可使合金的机械性能明显改善，抗弯强度显著增强，而且仍能保持良好的磁性能。此外，在样品中还发现有近似球形或椭球形的Ni-Mn-Ga-Gd四元相析出，如图4.4(a)中A、B区所示图b、c为其对应的电子衍射谱。通过EDS能谱分析四种元素的含量为(at.%):Ni 63.15，Mn3.55，Ga 18.54，Gd 14.76。可见该相中的Ni含量很高，而Mn含量很低。图4.4 Ni53.4Mn20.0Ga25.6Gd1.0合金中的Ni-Mn-Ga-Gd四元相形貌像与选区电子衍射谱a：形貌像(Bar=400nm) b：SAED谱 c：SAED谱图4.5Ni53.4Mn20.0Ga25.6Gd1.0合金中的Ni-Mn-Ga-Gd四元相EDS能谱第6章 俄歇电子能谱显微镜分析 (AES) 第6章 俄歇电子能谱显微分析 (AES)俄歇电子为原子内层电子被激发电离形成空位，较高能级电子跃迁至该空位，多余能量使原子外层电子激发发射，形成无辐射跃迁，被激发的电子即为俄歇电子。它一般源于样品表面以下几个nm，多用于表面化学成分分析，原子最少要含三个以上电子才能产生俄歇电子。俄歇电子是由于原子中的电子被激发而产生的次级电子。当原子内壳层的电子被激发形成一个空洞时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量；虽然能量有时以光子的形式被释放出来；这种能量可以被转移到另一个电子，导致其从原子激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子，这个过程被称为俄歇效应。图6.1 俄歇电子形成示意图6.1俄歇电子产生俄歇电子谱原理当一束单色能量的电子束入射某样品时，则从该样品发射出具有不同能量的出射电子。出射电子按其能量分布的曲线有如下特征：在入射电子能量处有一尖锐的峰称弹性反射峰。在050eV 处有一宽峰，它是由入射电子经多次非弹性散射的二次电子组成。在上述两者之间存在着十分微弱的，叠加于背景信号上的小峰，其中包含有俄歇电子的信号。俄歇电子的发射过程是一种激发态电离原子的非辐射的退激发过程。图6.2俄歇分析示意对固体样品而言，俄歇电子发射过程如下 (如图6.1，6.2)，当有外来辐射、即入射电子束 (大多数实用情况) 或 X 射线 (个别情况) 作用样品时，一个电子从原子内壳层轨道 (K) 出射 (电离) ，其留下的空位立即被较外壳层(L1) 的电子填充，在此过程中多余的能量可以通过发射特征 X 射线释放(荧光过程)，或交给另一壳层轨道(L2，3)上的电子，使其从原子出射。此即为俄歇跃迁过程。因为俄歇电子的能量 EK是由相应的三个能级的电子结合能决定的，而后者是代表元素原子种类特征，因此原则上测得 EK即可判定元素之种类，关键是要测出俄歇电子N(E) 随能量 (E) 的分布，即N(E) E 曲线，或称为俄歇谱。俄歇谱可以由一个或多个俄歇峰组成，每个俄歇峰对应每一个特定的俄歇跃迁过程。用以测录俄歇谱的设备为俄歇 (电子) 谱仪。在实际工作中，以测录的俄歇谱和标准手册提供的图谱，通过一定的方法，以判定原子的种类和浓度。俄歇电子谱是俄歇电子信号 N(E)随其动能 E的分布。有两种表达方式，分别为直接谱和微分谱。直接谱 N(E)E：对于直接谱而言，此时俄歇电子信号 N(E) 以背景之上的俄歇电子峰的高度或俄歇峰所覆盖的面积表示。谱图保留了丰富的化学信息，随着弱信号测量技术的进步和高能量分辨俄歇电子谱仪的应用，此种测量方式日益受到重视。微分谱 dN(E)/dEE：在微分谱中，dN(E)/dE 为俄歇电子信号对能量的一次微分，此时俄歇电子信号强度以微分谱的正、负峰的峰与峰的高度差表示，常称为峰-峰值。俄歇电子具有特征性能量，其能量与释放俄歇电子的原子中的电子转移有关。俄歇电子的释放是释放特征性x射线的替代形式。俄歇电子的能量EA可由下面式子得出：EA=E1-E2-E3，其中，E1为具有内壳层空位的原子能量，E2为具有外壳层空缺的原子能量，E3为 (俄歇) 电子的结合能。俄歇电子能谱仪，是根据分析俄歇电子的基本特性所得到材料有关表层化学成分的定性或定量信息的仪器，主要应用于表层轻微元素分析。6.2俄歇电子谱案例除H 和 He 外所有原子受激发后都可产生俄歇电子，通过俄歇电子能谱( AES) 可测量样品表面的元素组分和化学态。AES 分析元素范围宽 , 表面灵敏度高，是主要的表面分析技术。利用俄歇电子能谱可以进行材料失效分析、表面元素定性分析、表面元素半定量分析、表面元素价态分析、表面元素分布分析。例如由于材料成型过程中存在的缺陷或贮存和使用环境等方面的原因，使得材料或构件在贮存和使用过程中失去原来的使用性能。通过对失效材料或失效件结构或断面进行分析，可以了解失效的原因，为材料改进和构件设计提供技术支持，也可澄清因失效而引起的事故责任。运用俄歇电子能谱仪可以分析断口的化学成分和元素分布，从而了解断裂的原因。俄歇电子的能量仅与原子的轨道能级有关，与入射电子能量无关，也就是说与激发源无关。对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程，俄歇电子的能量是特征性的。因此可以根据俄歇电子的动能，定性分析样品表面的元素种类。由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很高(b)(a)图6.3 (a)Si 器件截面不同化学状态 Si 的AES 谱图 (b)磁阻磁头的AES 的线分析图6.3为某 Si 器件的横截面中 Si 的俄歇谱8，样品的不同区域上有两个SiKLL峰，位于1603eV和1617eV，分别对应于Si 的氧化态 (Si- O) 和纯 Si态 (Si-Si) 。 半导体中 n-Si和p -Si的SAM分析高能量分辨AES不仅可分析同一元素的不同价态，还可以准确方便地区分半导体Si 器件中 n-Si 和 p- Si 图6.4 n-Si和p- Si的SiKLL峰相差0. 6eV。图6.4 某Si器件的定点AES谱第7章 电子背散射衍射分析 (EBSD) 第7章 电子背散射衍射分析 (EBSD)背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。当电子束照射样品时，入射电子在样品内遭到衍射时，会改变方向，甚至损失一部分能量（在非弹性散射的情况下）。在这种弹性和非弹性散射的过程中，有些入射电子累积散射角超过90度，并将重新从样品表面逸出。那么背散射电子就是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是： 能量很高，有相当部分接近入射电子能量 E0，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。 背散射电子发射系数 =I B /I 0 随原子序数增大而增大。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大。EBSD织构测试技术实现了在观察样品组织形貌的同时进行晶体学取向分析，使得显微组织能与晶体学信息相关联，是快速而准确的进行材料织构测量的强有力分析工具。图7.1背散射电子7.1电子背散射衍射分析原理通常电子背散射衍射系统配备在扫描电子微镜中，由电子显微镜的电子光学系统产生的电子束人射到样品内当人射电子束在晶体样品中发生非弹性散射时，在晶体内向空间所有方向发射散射电子束如果这些散射电子束和晶 体中某一晶面 ( h k l ) 之间正好符合布拉格衍射条件将发生衍射这就是电子背散射衍射。电子背散射衍射束形成以0 为半顶角的2个对顶衍射圆锥如果让荧光屏与圆锥顶角相截在荧光屏上就可得到两只双曲线 ，由于角很 小这2双曲线接近为一对平行直线，组成电子背散射衍射花样。图7.2产生电子背散射花样的示意图7.2电子背散射衍射分析案例EBSD技术是快速而准确的进行晶体取向测量的强有力分析工具。作为亚微米层次上的